AVR單片機(jī)的RTOS-AVRX應(yīng)用

摘  要：詳細(xì)介紹AVR系列單片機(jī)的專用實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)AVRX的特點(diǎn)，并以ATmega16單片機(jī)為平臺，結(jié)合AVR單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例分析AVRX的內(nèi)核代碼及移植方法，并對系統(tǒng)的相關(guān)性能進(jìn)行測試。采用AVRX可以大大簡化程序設(shè)計(jì)，滿足實(shí)時要求，降低編程難度，提高系統(tǒng)可靠性。本文為在AVR單片機(jī)上進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了參考。
關(guān)鍵詞： RTOS AVRX AVR單片機(jī)移植 系統(tǒng)測試

引 言
    隨著技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用對人們的生活產(chǎn)生了很大的影響，并將逐漸改變?nèi)藗兾磥淼纳罘绞?。在特定的操作系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用程序，可以使開發(fā)人員忽略掉很多底層硬件細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序調(diào)試更方便、易于維護(hù)、開發(fā)周期縮短并且降低開發(fā)成本，因而嵌入式操作系統(tǒng)深得開發(fā)人員的青睞。
 
    AVR微處理器是Atmel公司開發(fā)的8位嵌入式RISC處理器，它具有高性能、高保密性、低功耗、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，而且程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可獨(dú)立編址，并具有獨(dú)立訪問的哈佛結(jié)構(gòu)。AVR單片機(jī)內(nèi)核有豐富的指令集，通過32個通用寄存器直接與邏輯運(yùn)算單元相連接，允許在一個周期內(nèi)一條單一指令訪問兩個獨(dú)立的寄存器，這樣的結(jié)構(gòu)使代碼的執(zhí)行效率比傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集微處理器快了將近lO倍。

    AVRX是由lbarello編寫的源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，它專門針對AVR系列單片機(jī)的RTOS，具有免費(fèi)和可以修改的特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是由于做為一種專用的操作系統(tǒng)很難移植到其他平臺上。

1 AVRX系統(tǒng)的特點(diǎn)
    AVRX做為AVR專用RTOS有如下的特點(diǎn)：
    ◆完全支持占先式、優(yōu)先級驅(qū)動的任務(wù)調(diào)度算法；
    ◆16個優(yōu)先級，相同的優(yōu)先級的任務(wù)采用Round-robin調(diào)度算法輪流執(zhí)行；
    ◆信號量可以用于信號傳遞、同步和互斥信號量，支持阻塞和非阻塞語法；
    ◆任務(wù)之間可以用消息隊(duì)列相互傳遞信息，接收和確認(rèn)消息可以用阻塞和非阻塞調(diào)用；
    ◆在中斷子程序中，大部分非阻塞的中斷服務(wù)程序可以使用；
    ◆支持單個定時器的時間隊(duì)列管理，任何進(jìn)程都可以設(shè)置一個定時器，并且任何一個任務(wù)都可以等待定時器時間到；
    ◆支持單步調(diào)試運(yùn)行著的進(jìn)程；
    ◆程序空間小，包含所有功能的版本占用1000字節(jié)；
    ◆與定時器／計(jì)數(shù)器有關(guān)的一些事務(wù)可以用AVRX寫成任務(wù)級代碼。

1．1任務(wù)
    AVRX2．6為了支持c語言，保存了所有的32個寄存器。最小的上下文是32個寄存器、SREG和PC，總共35個字節(jié)。AvrxInitTask()函數(shù)給所有的寄存器初始化為0X00。只有進(jìn)程上下文保存在任務(wù)堆棧中，所有其他的使用(包括內(nèi)核和中斷)保存在內(nèi)核堆棧。這樣降低了第一個中斷的上下文切換和進(jìn)入內(nèi)核API的SRAM消耗。隨后的中斷(如果允許中斷嵌套)嵌入內(nèi)核堆棧，API不進(jìn)行上下文切換。

1．2信號量
    信號量是SRAM指針，它們有三種狀態(tài)：PEND、WAITING和DONE。當(dāng)一個進(jìn)程被一個信號量阻塞時，它處于WAITING狀態(tài)，多個任務(wù)可以排隊(duì)等候一個信號量。在后一種情況下，信號量可以看作互斥信號量。提供的API函數(shù)如下：AvrXSetSemaphore、AvrXIntsetSema-pore、AvrXWaitSemaplaore、AvrXTestSemapIlorc、AvrX-
IntTestSemaphore和AvrxResetSemaphore。

1.3定時器
    定時器控制塊(TCB)長度為4(或6)個字節(jié)。它們管理一個16位計(jì)數(shù)值。定時器隊(duì)列管理器管理一個分類的定時器隊(duì)列，每個都調(diào)整為所有計(jì)數(shù)器的和到其延時需要的值。提供的API函數(shù)如下：AvrXStartTimer、AvrXTim-erHandler、AvrXCancel Timer、AvrXWaitTimer、AvrX-TestTimer和AvrXDelay。

1.4消息隊(duì)列
    消息隊(duì)列用消息控制塊(MCB)做為隊(duì)列首地址。任何進(jìn)程、中斷處理函數(shù)和多個進(jìn)程都可以等待消息。MCB的長度是2或4個字節(jié)，消息可以認(rèn)為是靈活性更大的信號量。提供的API函數(shù)如下：AvrXSendMessage、AvrXIntSendMessage、AvrXRecvMessage、AvrXWaitMes-sage、AvrXAckMessage、AvrXTestMessage和AvrXWait-MessageAck。

1.5單步運(yùn)行支持
    通過重新匯編內(nèi)核AVRX，可以允許和禁止單步運(yùn)行的支持。單步運(yùn)行可以通過編譯內(nèi)核庫時定義下面的變量：#define SIGNALSTEPSUPPORT。在能夠單步運(yùn)行以前，進(jìn)程必須先暫停。有兩種方法實(shí)現(xiàn)：一是僅僅初始化進(jìn)程但不使能；二是用目標(biāo)進(jìn)程的ID調(diào)用AvrXSuspend，一旦目標(biāo)進(jìn)程掛起，調(diào)試SPI就能使用了。提供的API函數(shù)有:AvrxStepNext和AvrXSin-gleStepNext。

1．6系統(tǒng)對象
    AVRX是圍繞系統(tǒng)對象的概念而構(gòu)建的。系統(tǒng)對象包括一個鏈接和其后面的0個或者若干個字節(jié)的數(shù)據(jù)信號量。進(jìn)程對象可以根據(jù)運(yùn)行隊(duì)列和信號量排隊(duì)。計(jì)數(shù)器控制塊只能根據(jù)計(jì)數(shù)器隊(duì)列排隊(duì)。消息控制塊只能在消息隊(duì)列排隊(duì)。進(jìn)程根據(jù)嵌入對象的信號量等待這些對象。進(jìn)程堆棧中可用的SRAM是限制系統(tǒng)規(guī)模的主要因素，每個進(jìn)程都需要至少10～35字節(jié)的空間來存儲進(jìn)程上下文。提供的API函數(shù)如下：AvrXSetObjectSama-phore、AvrXIntObjectSamaphore、AvrXResetObiectSama-phore、AvrXWaitObjectSamaphore、AvrXTestObjectSama-phore和AvrXInfTestObjectSamaphore。

1.7系統(tǒng)堆棧
    AVRX需要足夠大的堆棧來處理所有可能的中斷嵌套。每次進(jìn)入內(nèi)核將會把10～35字節(jié)壓進(jìn)堆棧(標(biāo)準(zhǔn)上下文和返回地址)，中斷處理可能壓進(jìn)去更多。AVRX的API會臨時壓入2個以上的字節(jié)。GCC或者匯編代碼定義于SRAM的頂部，保證AVRX的堆棧在有效SRAM空間之內(nèi)是設(shè)計(jì)者的工作。

2 AVRX系統(tǒng)的應(yīng)用
2．1 AVRX在不同型號AVR單片機(jī)上的移植
    下面以ATmegM6為例，介紹移植工作。

(1)編譯器的選擇
    由于AVRX的編者是在GNU推出的AVR-GCC編譯器下編寫的，所以選用AVR-GCC編譯器可以大大提高AVRX在不同AVR單片機(jī)上的移植特性。

(2)重新編譯AVRX內(nèi)核
    為了將應(yīng)用程序成功編譯，需要重新編譯AVRX內(nèi)核，重新編譯包括下述步驟。

    ①重新修改AVRX源碼的Makefile文件，需要修改的幾處如下：
    ABSPATH=…/avrx/*更改AVRX原路徑刊實(shí)際路徑下*/
    修改 MCU=8535
    AAVRMCU=1
    GCCMCU=at90s$(MICU)
    AVRXMCU=_AT90S$(MCU)_為  ICCMCU=m16
    AAVRMCU=3
    GCCMCU=atmega16
    AVRXMCU=_AT90Megal6_

    ②重新修改AVRX源碼的serialio．S文件，即根據(jù)不同的單片機(jī)修改串口部分的寄存器定義。需要增添如下代碼： 

    #if defined(UBRRL)
    #define UBRR UBRRL
    #endif
    #if defined(UBRRH)
    sts UBRRH, plh
    #endif

    ③重新編譯內(nèi)核。具體做法是復(fù)制一個“命令提示符”到AVRX目錄下，運(yùn)行“命令提示符”，鍵入“makegcc”命令后運(yùn)行就完成了AVRX內(nèi)核的重新編譯，會生
成很多的．o文件和avrx．a(chǎn)文件。這些文件在以后的應(yīng)用程序中會使用。

    至此就完成了AVRX在ATmegal6單片機(jī)上的內(nèi)核移植，接著就可以編寫應(yīng)用程序了。

2．2在AVRX上編寫應(yīng)用程序
    這時候要用一個新的makefile文件，同時自己的程序可以不和AVRX的內(nèi)核在一個目錄，但是要指出依賴文件的明確路徑。makefile的框架可以采用Winavr的sam-ple文件夾下的makefile文件框架。這里的難點(diǎn)其實(shí)還是makefile文件的語法問題。下面介紹應(yīng)用程序的makefile文件在實(shí)例中需要修改或增加的代碼：

MCU=atmegal6        /*微處理器的名字*/
TARGET=test         /*應(yīng)用程序文件名*/
GCCLIB=$(AVRX)／avrx／avrx．a(chǎn)
GCCINC=-I．-I$(AVRX)／avrx-I$(AVR)／avr／inc  ／*加上相關(guān)的庫*／
SCANF_LIB_MIN=-Wl，-u，vfscanf-lscanf_min
SCANF_LlB_FLOAT= -Wl，一u，vfscannf-lscanl_flt
SCANF_LIB= ／*設(shè)置sacnf函數(shù)庫的類型，在不使用時可以
注釋掉，這樣可以減小編譯后的文件太小*／
LDFLAGS+=$(PRIBITF_LlB)$(SCANF_LIB)
$(MATH_LIB) ／*新增的連接器參數(shù)設(shè)定*／

3  系統(tǒng)測試
3.1  系統(tǒng)實(shí)時性測試
    在實(shí)時系統(tǒng)中，實(shí)時系統(tǒng)的實(shí)時性表現(xiàn)在系統(tǒng)對外部事件的響應(yīng)能力上。系統(tǒng)通過中斷來響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并且在用戶中斷程序中做的事要盡量少，把大部分工作留給任務(wù)去做，只是通過信號量或者消息機(jī)制來通知任務(wù)運(yùn)行。Mega16的定時器2設(shè)為比較匹配輸出模式，在匹配時間到了之后產(chǎn)生一定周期脈沖輸出，并產(chǎn)生中斷。設(shè)置定時器1為計(jì)數(shù)模式來計(jì)數(shù)產(chǎn)生的脈沖輸出。通過定時器2的比較匹配中斷服務(wù)子程序來發(fā)信號量通知任務(wù)運(yùn)行，并在中斷子程序中不開中斷，而在任務(wù)得到信號后開中斷，以實(shí)現(xiàn)中斷處理與任務(wù)運(yùn)行的同步。任務(wù)中對一個全局變量計(jì)數(shù)，以記錄任務(wù)執(zhí)行的次數(shù)。運(yùn)行一段時間后，在設(shè)置的匹配時間里，任務(wù)的運(yùn)行次數(shù)和定時器1的計(jì)數(shù)一樣，則系統(tǒng)在這段時間里是能完全響應(yīng)外部事件的。當(dāng)定時器2的比較匹配時間設(shè)為大于23 μs時，2個計(jì)數(shù)是相等的；當(dāng)小于23 μs時，定時器1計(jì)數(shù)值大于任務(wù)計(jì)數(shù)值，說明任務(wù)沒有完全得到響應(yīng)。這說明中斷的進(jìn)入和返回即系統(tǒng)對外部時間的響應(yīng)和處理時間為23 μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他操作系統(tǒng)在AVR單片機(jī)上移植后的響應(yīng)時間。

3．2應(yīng)用例程測試
    這里只對源文件中的幾個例程先進(jìn)行簡單的編譯，然后去掉不必要的代碼，加入自己想測試的一些代碼，進(jìn)行了定時器控制模塊、信號量和消息隊(duì)列以其簡單組合的測試，均在ATmega16上達(dá)到了預(yù)期的效果。

4  心得體會
    ①AVRX的源碼都是用匯編語言編寫的，相對來講代碼效率很高，但是由于沒有詳細(xì)的API介紹文檔，所以最好的入門方法就是先讀懂RTOS的源碼和例程，然后進(jìn)行修改，再加上自己的代碼逐漸熟練應(yīng)用。

    ②AVRX需要分配的堆棧為35個字節(jié)加上任務(wù)代碼需要的額外堆棧，具體的大小取決于每個進(jìn)程用的本地變量個數(shù)。比較好的確定分配給任務(wù)堆棧大小的方法是：分配很大的堆棧(如70字節(jié))，運(yùn)行一段應(yīng)用程序后看堆棧到多深(因?yàn)镚CC啟動時把所有內(nèi)存都清0了，這樣很容易看到)。不過，為了安全起見，用編譯器或仿真器在估計(jì)堆棧的頂端寫入幾個字節(jié)的0xFFFFF去驗(yàn)證到底達(dá)到了多少字節(jié)，然后分配給比測試結(jié)果多兩個以上的字節(jié)給這個任務(wù)。

    ③啟動的最后一個指令必須跳轉(zhuǎn)到Epilog()。

5  結(jié)論

    AVRX是一個不錯的RTOS，最顯著的特點(diǎn)就是內(nèi)核小，速度快，編譯后大概只需500～700字節(jié)，且基本的調(diào)度功能一個也不少。由于其代碼公開，結(jié)合不同型號AVR單片機(jī)的特性，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的裁減和擴(kuò)展，使之能達(dá)到更好的效果。本文為AVR嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了借鑒。